锂在共轭双键高分子中的电化学嵌入反应III. 锂嵌入聚噻吩的量子化学计算†

采用Gaussian软件和HF方法, 通过从头计算(ab initio)法选取4-31G基组计算锂离子嵌入聚噻吩过程中结构与结合能的变化关系. 发现噻吩聚合时主要生成三或四聚合物. 聚合物在Li原子(或Li^＋离子)嵌入后, 聚噻吩间距离明显变小, 同时发生电荷转移, 形成稳定嵌合物; 并使噻吩环的C-α—C-β键级变小. 同时, 研究了锂离子(或原子)嵌入后体系的HOMO, LUMO能级. 聚噻吩在嵌入锂离子时LUMO轨道能级变为负值, 成为电池反应得电子的正极. 而金属Li₂ 释放Li^＋后的Li^－的HOMO能级为＋0.7427 eV, 则成为给电子的负极. 由此, 可以完成由锂/聚噻吩在高氯酸锂电解质中组成的放电过程, 并提出嵌合键级概念用来表征锂在聚噻吩间的结合程度.     

锂在共轭双键高分子中的电化学嵌入反应Ⅱ:锂在聚吡咯中嵌入反应的量子化学研究

本文用量子化学CNDO/2方案计算,取文献中吡咯骨架原子的结构参数,再优化锂嵌入聚吡咯的几何参数。结果表明不管是Li~+离子还是中性Li原子,嵌入单个吡咯上还是嵌入两个吡咯之间,它与吡咯环四个碳原子平面的距离都为0.210到0.216nm。且锂与碳原子键合,形成多中心键,锂嵌入聚吡咯后,固有的C_α—C_β双键的键级和键能明显减弱。这与前一报中发现IR谱的15600m~(-1)吸收峰消失相一致。锂正离子嵌入聚吡咯后,使吡咯的前沿π~*矿空轨道的能量由正变为负值,而成为电子接受体(正极),遍及全部聚吡咯的π~*LUMO和HOMO使得聚吡咯呈现导电性能。     

锂在共轭双键高分子中的电化学嵌入反应Ⅱ:锂在聚吡咯中嵌入反应的量子化学研究

本文用量子化学CNDO/2方案计算,取文献中吡咯骨架原子的结构参数,再优化锂嵌入聚吡咯的几何参数.结果表明不管是Li+离子还是中性Li原子,嵌入单个吡咯上还是嵌入两个吡咯之间,它与吡咯环四个碳原子平面的距离都为0.210到0.216nm.且锂与碳原子键合,形成多中心键,锂嵌入聚吡咯后,固有的Ca=Cs双键的键级和键能明显减弱.这与前一报中发现IR谱的1560cm-1吸收峰消失相一致.锂正离子嵌入聚吡咯后,使吡咯的前沿π*空轨道的能量由正变为负值,而成为电子接受体(正极).遍及全部聚吡咯的π*LUMO和HOMO使得聚吡咯呈现导电性能.     

电场对金属串配合物M3(dpa)4Cl2 (M=Co,Rh, Ir; dpa=dipyridylamide)结构的影响

应用密度泛函理论PBE0 方法研究具有分子导线潜在应用的金属串配合物M₃(dpa)₄Cl₂ (1: M=Co, 2: M=Rh, 3: M=Ir; dpa=dipyridylamide)在电场作用下的几何和电子结构. 结果表明: 配合物基态均是二重态. 1和2的M₃⁶⁺金属链形成三中心三电子σ键, 3 中M₃⁶⁺形成三中心四电子σ键且存在弱的δ键. 随金属原子周期数增大其M―M键增强、LUMO与HOMO能隙减小、金属原子的反铁磁耦合减弱以至消失且自旋密度向配体的离域增强. 在Cl4→Cl5 电场作用下, 低电势端的M3－Cl5 键缩短, 高电势端的M2―Cl4 键增长, M―M平均键长略为缩短, M―M键增强, 有利于分子线的电子传递; 分子能量降低, 偶极矩线性增大. 低电势端Cl5的负电荷向高电势端Cl4 转移, 且3 中金属原子的正电荷由高电势端向低电势端的转移较明显, 自旋电子由低电势端向高电势端金属原子移动, 但桥联配体dpa^-与M和Cl 所在的分子轴间没有电荷转移. 电场使LUMO与HOMO能隙减小, 有利于分子的电子输运. 随金属原子周期数增大, 电场作用下M―M平均键长变化减小, LUMO、HOMO的能级交错现象减少.     

Li＋在PC＋DMF混合溶剂中优先溶剂化的13C NMR研究

利用¹³C NMR光谱技术研究了Li^＋在碳酸丙烯酯(PC)＋N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合溶剂中的优先溶剂化现象. 根据溶剂分子中碳原子的化学位移随锂盐浓度的变化关系, 确定了与Li^＋发生配位的原子. 碳原子的配位位移值随混合溶剂组成的变化关系表明, 在LiClO₄＋PC＋DMF混合物中, DMF分子对Li^＋的溶剂化作用较PC分子强. 定量计算得到, 在n(PC)∶n(DMF)＝1∶1(摩尔比)的混合溶剂中, PC与DMF分子数在Li^＋第一溶剂化层中的比率为0.12, 说明Li^＋优先被DMF分子溶剂化.     

含锂沸石Li-FER提高PEO复合聚合物电解质电导率

通过离子交换方法使锂部分取代了镁碱沸石（FER）孔道壁上羟基中的氢，制得含锂沸石Li-FER. 将这种沸石作为无机填料加入到PEO/LiClO₄聚合物电解质中，可以使其室温电导率提高三个数量级以上. 电化学测量表明， 锂离子与PEO和含锂沸石中氧的相互作用提高了聚合物电解质中锂离子的迁移数. 另一方面， 采用XRD, DSC, PLM等方法研究了电解质的结晶状况.结果表明, Li-FER可以作为PEO链段结晶的成核剂，使PEO电解质的晶粒得到细化， 结晶度降低，为Li⁺的传输提供了更多的非晶区通道. 这是Li-FER的加入促使PEO聚合物电解质电导率提高的两个主要原因.     

高效锂离子筛吸附剂MnO2•0.5H2O的软化学合成及吸附性能研究

以MnCl₂•4H₂O, LiOH•H₂O等试剂为初始原料, 采用溶胶-凝胶、水热处理、固化等软化学合成步骤制备了锂离子筛前驱体Li_1.6Mn_1.6O₄, 并经稀盐酸抽锂后得到了高选择性锂离子筛吸附剂MnO₂•0.5H₂O. 着重对合成过程中锂锰比, 氧化剂用量等因素影响进行了探讨, 并对所制备吸附剂的吸附性能进行了研究. 结果表明, 经软化学合成步骤制备的锂离子筛对Li^＋有良好的吸附量和选择性, 在未来从海水、卤水等液态锂资源富集或提取锂的应用中具有很大的潜力.     

乙烯基噻吩共轭螺噁嗪化合物的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法, 在B3LYP/6-31G^* 水平上对乙烯基噻吩共轭螺噁嗪化合物 SO-SO3 的几何构型、电子结构、前线分子轨道等进行了理论研究, 计算结果表明: SO-SO3的开环过程会使得开环体的左右两个部分键长均等化, 导致共轭体系变大, 能隙明显减小; 乙烯基噻吩基团共轭接入螺噁嗪母体后, 导致体系的共轭作用变大, 在激发态下电子流动增强, 形成由乙烯基噻吩向萘并噁嗪的有效电荷转移与能量转移; 结合前线分子轨道成分分析乙烯基噻吩单元在最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)中的轨道贡献率明显增加. 含时密度泛函理论(TD-DFT)计算的电子吸收光谱结果显示: 当接入的乙烯基噻吩单元达到2-3个时, 影响SO2和SO3开环的最低能量激发态变为第一激发单重态S₁, 并且均源自电子从HOMO至LUMO的跃迁且为π-π^*跃迁; 其最大吸收波长λ_max 达到466-540 nm, 且红移十分明显, 其对应开环体O-SO2与O-SO3的λ_max 达到605和647 nm.     

SO2钳合反应机理的密度泛函研究

采用密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311+G**水平上计算了SO₂与2,4-己二烯之间的钳合反应, IRC计算结果表明该反应是协同反应. 反应中, 这两个反应物同时把自己的HOMO电子填入对方的LUMO轨道, 这与传统的4＋2环加成机理不同. 反应前SO₂的HOMO轨道与2,4-己二烯的LUMO轨道之间能级相差很大(8.4 eV), 但随着反应进行, 2,4-己二烯的反键LUMO轨道逐渐演变成一个成键轨道, 能级下降, 使得SO₂的HOMO上电子可以向该轨道流动. 反应的净结果是有0.23e的负电荷由SO₂向2, 4-己二烯转移.     

Li＋在PC＋DMF混合溶剂中优先溶剂化的13C NMR研究

利用¹³C NMR光谱技术研究了Li^＋在碳酸丙烯酯(PC)＋N,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合溶剂中的优先溶剂化现象. 根据溶剂分子中碳原子的化学位移随锂盐浓度的变化关系, 确定了与Li^＋发生配位的原子. 碳原子的配位位移值随混合溶剂组成的变化关系表明, 在LiClO₄＋PC＋DMF混合物中, DMF分子对Li^＋的溶剂化作用较PC分子强. 定量计算得到, 在n(PC)∶n(DMF)＝1∶1(摩尔比)的混合溶剂中, PC与DMF分子数在Li^＋第一溶剂化层中的比率为0.12, 说明Li^＋优先被DMF分子溶剂化.     

LixNi0.5Co0.5O2的态密度计算及电化学性能研究

>为获得综合性能更好的锂离子二次电池正极材料, 分析了Co掺杂对Li_xNiO₂电化学性能的影响. 采用密度泛函DFT理论对Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的平均放电电压和态密度进行了计算. 同时, 用共沉淀法制备了Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂锂离子二次电池正极材料, 并对其进行了XRD结构分析和恒流充放电测试. 实验和计算结果表明: 随锂离子嵌入正极(电池放电), 电池的电压逐渐降低, 材料的态密度峰向低能量方向移动; 与Li_xNiO₂相比, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的电压平台相对较高(当0.25≤x≤0.5), 而且在Li^＋嵌/脱时, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的结构变化相对较小; Co离子的掺入, 减小了NiO₆八面体的畸变度, 使材料的电化学稳定性得以提高. 在钴掺杂镍酸锂体系中, NiO₆和CoO₆具有相互的稳定作用.     

盐湖卤水协同萃取提锂及基础热力学性质

为了充分利用盐湖卤水中丰富的锂资源,提出了以磷酸三丁酯（TBP）-乙酸丁酯（BA）-FeCl₃-260^#磺化煤油体系协同萃取提锂的方法。针对该体系,考察了卤水酸度、n_Fe/n_Li比以及温度对协同萃取过程的影响。根据锂离子及其它主要离子萃取率的变化,确定了最优萃取条件为：pH=2,n_Fe/n_Li=3.0,T=20℃。在最优条件下,单级萃取率达到90%左右。同时,研究了萃取过程的热焓、吉布斯自由能及熵变等基础热力学性质。结果表明,在选定的萃取体系和条件下,锂的萃取反应为放热反应,萃取过程为熵减过程。     

LixNi0.5Co0.5O2的态密度计算及电化学性能研究

>为获得综合性能更好的锂离子二次电池正极材料, 分析了Co掺杂对Li_xNiO₂电化学性能的影响. 采用密度泛函DFT理论对Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的平均放电电压和态密度进行了计算. 同时, 用共沉淀法制备了Li_xNiO₂和Li_xNi_0.5Co_0.5O₂锂离子二次电池正极材料, 并对其进行了XRD结构分析和恒流充放电测试. 实验和计算结果表明: 随锂离子嵌入正极(电池放电), 电池的电压逐渐降低, 材料的态密度峰向低能量方向移动; 与Li_xNiO₂相比, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的电压平台相对较高(当0.25≤x≤0.5), 而且在Li^＋嵌/脱时, Li_xNi_0.5Co_0.5O₂的结构变化相对较小; Co离子的掺入, 减小了NiO₆八面体的畸变度, 使材料的电化学稳定性得以提高. 在钴掺杂镍酸锂体系中, NiO₆和CoO₆具有相互的稳定作用.     

锂在共轭双键高分子中的电化学嵌入反应Ⅲ.锂在聚萘中的电化学嵌入反应

研究了锂在导电高聚物--聚萘中的嵌入反应.聚萘样品经650℃处理,作为锂电池的正极,组装成Li/(C10H6)n电池.X射线衍射分析、ESR实验、X射线光电子能谱分析等一系列实验证实上述电池的正极反应是锂在聚萘中的电化学嵌入反应.通过XRS实验对嵌入聚萘的锂进行了价态分析,认为嵌进去的锂是以原子态及离子态两种状态存在,其结合能分别为55.7eV和57.4eV.采用电化学暂态测量技术研究了锂在导电高聚物--聚萘中的扩散,计算了锂在嵌合物中的离子电导率及淌度.用Hebb-Wagner直流极化法测量了嵌合物的电子电导.     

Li＋在基于N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂中的溶剂化

利用红外和拉曼光谱技术研究了Li^＋在不同浓度、不同溶剂组成的LiBF₄/N,N-二甲基甲酰胺-乙腈、LiBF₄/N,N-二甲基甲酰胺-四氢呋喃电解质溶液中的优先溶剂化现象. 红外和拉曼光谱的分析表明, Li^＋主要与DMF分子相互作用, 导致该分子的C＝O伸缩振动谱带、N—C＝O形变谱带、CH₃摇摆谱带等发生了分裂. Li^＋与其它溶剂分子的相互作用较弱, 谱带的分裂现象并不明显. Li^＋溶剂化数的计算显示, Li^＋第一溶剂化层内DMF分子的数目一般大于2, 这说明 Li^＋在混合溶剂体系内优先与DMF分子相互作用. 量子化学计算支持了这一结论.     

Li＋在基于N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂中的溶剂化

利用红外和拉曼光谱技术研究了Li^＋在不同浓度、不同溶剂组成的LiBF₄/N,N-二甲基甲酰胺-乙腈、LiBF₄/N,N-二甲基甲酰胺-四氢呋喃电解质溶液中的优先溶剂化现象. 红外和拉曼光谱的分析表明, Li^＋主要与DMF分子相互作用, 导致该分子的C＝O伸缩振动谱带、N—C＝O形变谱带、CH₃摇摆谱带等发生了分裂. Li^＋与其它溶剂分子的相互作用较弱, 谱带的分裂现象并不明显. Li^＋溶剂化数的计算显示, Li^＋第一溶剂化层内DMF分子的数目一般大于2, 这说明 Li^＋在混合溶剂体系内优先与DMF分子相互作用. 量子化学计算支持了这一结论.     

内含式化合物X@Al12P12的结构与稳定性研究

采用B3LYP/6-31G*方法, 对内含式化合物X@Al₁₂P₁₂ (X＝Li^0/＋, Na^0/＋, K^0/＋, Be^0/2＋, Mg^0/2＋, Ca^0/2＋, H和He)的不同对称性构型进行计算, 讨论其最稳定构型的几何参数、布居分析、偶极矩、电离势、包含能、频率、HOMO-LUMO能隙和自旋密度．发现X@Al₁₂P₁₂化合物中, 客体X＝Na^0/＋, K^0/＋, Mg和He几乎处在笼的中心, Be和Ca^0/2＋处在中心附近0.033 nm的半径内, Li^0/＋, Be^2＋, Mg^2＋和H很大程度上偏离笼的中心位置. 大部分金属内含式化合物的C₃对称性构型稳定．Li^0/＋, Be^0/2＋, Mg^2＋, Ca^2＋和H与其它离子相比更易嵌入笼内形成稳定的内含式化合物.     

Li3V2(PO4)3电极过程及其锂离子脱嵌动力学研究(I)

采用溶胶凝胶法合成了Nasicon化合物Li₃V₂(PO₄)₃, 采用X射线衍射(XRD)对产品进行了物相分析. 采用充放电测试, 循环伏安(CV)研究了化合物的电化学性能和锂离子的脱嵌过程, 计算出Li^＋在固相中的扩散系数(10^－8 cm²•s^－1); 采用交流阻抗测试(EIS)研究了Li₃V₂(PO₄)₃的电极过程; 对两种类型的阻抗图谱提出不同等效电路模型并对结果进行了拟合; 研究了Li₃V₂(PO₄)₃电极过程动力学以及新鲜电极界面在充放电过程中的变化特性.     

Li3V2(PO4)3电极过程及其锂离子脱嵌动力学研究(I)

采用溶胶凝胶法合成了Nasicon化合物Li₃V₂(PO₄)₃, 采用X射线衍射(XRD)对产品进行了物相分析. 采用充放电测试, 循环伏安(CV)研究了化合物的电化学性能和锂离子的脱嵌过程, 计算出Li^＋在固相中的扩散系数(10^－8 cm²•s^－1); 采用交流阻抗测试(EIS)研究了Li₃V₂(PO₄)₃的电极过程; 对两种类型的阻抗图谱提出不同等效电路模型并对结果进行了拟合; 研究了Li₃V₂(PO₄)₃电极过程动力学以及新鲜电极界面在充放电过程中的变化特性.     

富锂层状正极材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2的二次颗粒粒径对其倍率性能的影响

采用碳酸盐共沉淀的方法成功制备了不同二次颗粒粒径的富锂层状正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂。并运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、激光粒度测试和电化学测试等手段对所得材料的结构、形貌、粒度分布及电化学性能进行表征。结果显示,不同二次颗粒粒径的Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂在材料结构上没有明显的差别,且首次放电比容量接近,均达到了281 mAh·g^-1。但是,二次颗粒粒径越小,富锂层状材料的表现出的倍率性能越优异,当二次颗粒的D₅₀为4.59μm,其在3C倍率下的放电容量达到了199 mAh·g^-1。这是因为二次颗粒粒径越小,富锂层状材料可更好的与导电剂和电解液接触,且锂离子的扩散路径更短,从而表现出更好的倍率特性。